混合動力動車組需求分析及關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：混合動力動車組突破傳統(tǒng)的內(nèi)燃動力動車組和電動動力動車組模式，采用混合動力的模式，是一種新型的動車組產(chǎn)品，在我國支線鐵路等重點區(qū)域有著廣闊的應(yīng)用前景，本文結(jié)合我國混合動力動車組的市場需求分析，提出混合動力動車組的概念，重點分析混合動力動車組需要解決的關(guān)鍵技術(shù)；對我國譜系化動車組技術(shù)發(fā)展方向具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：混合動力動車組；混合動力；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

混合動力動車組是一種滿足市域中短距離鐵路運輸需要而提出的新型動車組，對于彌補當前鐵路運輸?shù)牟蛔悖浞职l(fā)揮鐵路運輸節(jié)能、環(huán)保、高效等特點具有非常重要的意義。

2 混合動力動車組需求分析

2.1 混合動力動車組可實現(xiàn)電氣化與非電氣化鐵路間跨線運行，具有大密度、小運量、靈活編組等特點，有廣闊市場前景

截止2012年底，我國電氣化鐵路占全國鐵路線路的53%；根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，預(yù)計2020年，電氣化鐵路將占全國鐵路線路的60%，非電氣化鐵路仍將長期占有很大比例，例如我國東北地區(qū)一直存在電氣化線路與非電氣化線路共存的現(xiàn)狀（如圖1所示）。此外，由于我國幅員遼闊，東西、南北跨度大，而主要城市人口密度大，軌道交通的發(fā)展主要針對兩種出行人群的需求，即中長距離的較大跨度出行需求和短距離的城市內(nèi)部出行需求。而我國人口的頻繁流動尤其是節(jié)假日人口的大規(guī)模遷移，也帶來客流的巨大反差。

當前的鐵路列車具有僅適用單線模式、運量大、密度較小等特點，面臨上述問題，無法給出合適的解決方法。如何實現(xiàn)電氣化與非電氣化鐵路之間跨線運行，解決中短跨度間的城鎮(zhèn)化市域小運量運輸和客流反差問題，仍是一個亟待解決的問題。

混合動力動車組可以實現(xiàn)跨線運行，運量較小，但可根據(jù)客流變化需求進行靈活編組，提高運輸效率，縮短旅行時間，對于彌補當前鐵路運輸?shù)牟蛔悖浞职l(fā)揮鐵路運輸節(jié)能、環(huán)保、高效等特點具有非常重要的意義，具有廣闊的市場前景。

2.2 混合動力動車組技術(shù)完全自主創(chuàng)新，對打破國外相關(guān)核心技術(shù)壟斷，開拓新技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義

近年來，我國的軌道交通取得了令人矚目的成績。通過不斷的引進、消化、吸收，我國已經(jīng)具備了生產(chǎn)和制造多種動車組的能力，諸多重要部件也逐漸實現(xiàn)了國產(chǎn)化。然而，對于動車組中最關(guān)鍵的牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)尚未完全掌握核心技術(shù)；在軌道交通大發(fā)展的需求下，通過企業(yè)、高校、研究院所的科研攻關(guān)，我國在軌道交通核心技術(shù)上已經(jīng)取得突破，積累了非常寶貴的技術(shù)經(jīng)驗，為獨立開展混合動力動車組研制奠定了堅實基礎(chǔ)。

混合動力動車組采用多種動力模式，其關(guān)鍵核心技術(shù)與其他軌道交通模式具有共性和特殊性，研制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的混合動力動車組，重點攻克牽引、動力電池組、網(wǎng)絡(luò)、制動系統(tǒng)等關(guān)鍵核心技術(shù)，既開拓了一個全新的前沿技術(shù)領(lǐng)域，創(chuàng)造了動車組新的技術(shù)體系，又對原有動車組技術(shù)體系提供支撐，打破了國外對相關(guān)核心技術(shù)壟斷。

2.3 混合動力動車組具有節(jié)能、應(yīng)急救援等優(yōu)點，為綠色、經(jīng)濟出行提供了一種全新的運輸模式

隨著國家大力倡導(dǎo)節(jié)能降耗理念，綠色、節(jié)能、環(huán)保的軌道客車將擁有廣闊的市場。無接觸網(wǎng)時可通過動力電池組吸收利用制動能量，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保，與《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中“高速軌道交通系統(tǒng)、低能耗與新能源汽車”優(yōu)先主題的規(guī)劃相吻合。還可實現(xiàn)在電氣化線路故障時自救和救援其它動車組，也可以作為移動電源進行供電。

3 混合動力動車組關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 混合動力動車組系統(tǒng)集成技術(shù)研究

混合動力動車組系統(tǒng)集成技術(shù)是確保整車性能的重要因素，主要技術(shù)難點是系統(tǒng)集成和系統(tǒng)匹配，包括電力供電與蓄電池供電的牽引系統(tǒng)集成、電力供電和油電混合動力的牽引系統(tǒng)集成、動車組的能量管理、動力包和蓄電池混合動力的系統(tǒng)集成、列車牽引系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的集成、實現(xiàn)列車功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與其它各子系統(tǒng)間的接口關(guān)系、控制邏輯的集成等。

3.2 混合動力動車組牽引系統(tǒng)技術(shù)研究

混合動力動車組包含2套相對獨立又相互關(guān)聯(lián)的動力系統(tǒng)，分別為EEMU和DDMU。

對于EEMU混合動力動車組動力系統(tǒng)，如圖2所示，在無接觸網(wǎng)條件下，牽引系統(tǒng)采用動力電池供電，此時牽引變流器停止工作，動力電池通過DC/DC控制器連接在牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)上，為動車組提供能量，通過牽引逆變器驅(qū)動牽引電機，動力電池組采用能量密度較高的磷酸鐵鋰電池。

對于DEMU混合動力動車組動力系統(tǒng)，如圖3所示，在無接觸網(wǎng)條件下，牽引系統(tǒng)采用內(nèi)燃動力包和動力蓄電池混合供電方案，

（下轉(zhuǎn)第86頁）

（上接第19頁）

車頂高壓系統(tǒng)及主變壓器停止工作，牽引系統(tǒng)采用柴油機帶動發(fā)電機（動力包）供電，整流到中間直流環(huán)節(jié)為牽引逆變器提供電源從而驅(qū)動牽引電機。DEMU同時配有動力蓄電池組，制動時能夠吸收電制動能量，牽引時將吸收的電能釋放出來，實現(xiàn)真正意義的能量回收再利用。

3.3 混合動力動車組動力電池組及充放電技術(shù)研究

動力電池的關(guān)鍵技術(shù)包括：電池建模及在線參數(shù)辨識技術(shù)、電池SOC估算方法的優(yōu)化、電池SOH的評估體系、充放電功率預(yù)測與控制、電池的一致性評價體系及均衡策略、電池系統(tǒng)的多簇協(xié)調(diào)控制；電池系統(tǒng)的加熱、保溫和散熱方法，電池模組和電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，開發(fā)與之匹配的電池模組；電池本體、高壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、連接技術(shù)等方面的安全性分析和控制系統(tǒng)設(shè)計

3.4 混合動力動車組網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括：針對混合動力動車組技術(shù)特點的結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計。結(jié)構(gòu)方面的網(wǎng)絡(luò)負載率、帶寬占用率及優(yōu)化算法，硬件方面的元器件選型、布局，軟件方面的整車控制邏輯與診斷等關(guān)鍵技術(shù)的仿真試驗、功能驗證、安全性評估和特定故障工況復(fù)現(xiàn)。

混合動力動車組網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)測與診斷系統(tǒng)采用的TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)和WTB列車總線，構(gòu)成列車級、MVB多功能總線構(gòu)成車輛級和設(shè)備級三層結(jié)構(gòu)?；旌蟿恿榆嚱M采用3輛車固定編組，可采用相同的三列動車組聯(lián)掛后進行重聯(lián)運行，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲圖見圖4。

3.5 混合動力動車組制動系統(tǒng)技術(shù)研究

制動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：研究適用于混合動力動車組制動頻繁、減速度大、負荷變化大等特點的大功率盤形制動技術(shù)、優(yōu)化的制動控制技術(shù)、防滑控制技術(shù)、完善的故障診斷技術(shù)和安全保障技術(shù)，開發(fā)出滿足上述要求的大功率盤形制動裝置、制動控制裝置、防滑控制裝置和故障診斷系統(tǒng)。

混合動力動車組制動系統(tǒng)以既有產(chǎn)品技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，采用電空直通制動系統(tǒng)，基于故障導(dǎo)向安全原則，采用模塊化、簡統(tǒng)化設(shè)計，制動控制系統(tǒng)圖見圖5。

4 小結(jié)

我國幅員遼闊，呈現(xiàn)不同地域、不同氣候、不平衡經(jīng)濟等多種狀況，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，國民素質(zhì)和生活追求質(zhì)量等提高，對高速動車組的個性化、多樣化需求增大；混合動力動車組是適應(yīng)我國鐵路現(xiàn)狀需求的新型產(chǎn)品，與國內(nèi)現(xiàn)有動車組相比具有跨線運行的能力，混合動力動車組關(guān)鍵技術(shù)研究為研究成熟的動車組產(chǎn)品提供了技術(shù)保證；預(yù)計未來十年內(nèi)將需要數(shù)百列的混合動力動車組，因此具有良好的推廣應(yīng)用價值和產(chǎn)業(yè)化前景。

作者簡介：尹華 （1982—），男，內(nèi)蒙古赤峰市，工程師。